LAPPEENRANNAN TEKNILLINEN YLIOPISTO LUT School of Energy Systems
LUT Kone
Mikko Myllymäki
NESTEPALOJEN RAKENTEELLISEN TORJUNNAN SUUNNITTELU (PASU- PROJEKTI)
Päivitetty 17.10.2017
Tarkastajat Professori Timo Björk DI Ilkka Pöllänen
TIIVISTELMÄ
Lappeenrannan teknillinen yliopisto LUT Energiajärjestelmät
LUT Kone
Mikko Myllymäki
Nestepalojen rakenteellisen torjunnan suunnittelu (PASU-projekti) Diplomityö
2017
82 sivua, 38 kuvaa, 17 taulukkoa ja 10 liitettä Tarkastaja: Professori Timo Björk
DI Ilkka Pöllänen
Hakusanat: palonsuoja-kasetti, palavat nesteet, valuma-altaat, palon tukahdutus
Diplomityössä oli tavoitteena suunnitella rakenteellinen ratkaisu nestepalojen sammuttami- seen. Sammutusratkaisu ei perustu kemiallisen lisäaineen tai mekaanisen systeemin toimin- taan. Nestepalojen rakenteellinen sammutus perustuu paloreaktion itse luomiin palamiselle epäedullisiin oloihin palonsuojarakenteen alla.
Palonsuojarakenne koostuu palonsuojakasetista, sekä sen päälle tulevasta liukuturvaritilästä.
Liukuturvaritilän tarkoitus on toimia nykystandardin mukaisena työskentely-, ja kulkutasona sekä ottaa vastaan palonsuojarakenteeseen kohdistuneet kuormitukset lumikuormaa lukuun ottamatta. Palonsuojakasetin tehtävänä on toimia nesteen ohjurina ja palon tukahduttimena.
Palonsuojamoduuli (liukuturvaritilä + palonsuojakasetti) tuetaan teräspalkeista kootun run- korakenteen päälle, jonka tarkoitus on toimia kantavana rakenteena.
Tutkielmassa keskityttiin tutkimaan aluksi palonsuojarakenteen toimivuutta muuntajaöl- jyllä. Tutkimus toteutettiin kirjallisuuskatsauksen, laskennan sekä palotestien avulla. Tutki- muksessa toteutettiin virtaus-, lujuus-, pyro- ja korroosiolaskentaa. Palotesteissä simuloitiin öljysäiliön repeämästä aiheutuvaa öljypaloa kaatamalla palavaa öljyä palonsuojarakenteen päälle.
Diplomityössä esille tullut palonsuojarakenne toimii suunnitellulla tavalla ja sammuttaa öl- jypalon päältään 6,5 sekunnissa tai nopeammin. Palonsuojarakenne toimii myös standardin mukaisena työskentely- ja kulkutasona, kestää 5 kN / m2 hyötykuormaa, sekä Suomen alu- eella esiintyviä lumikuormia. Palonsuojarakenne on suojattu korroosiota vastaan ja sen pin- noite kestää 20–60 vuotta.
Jotta palonsuojarakenteen toimivuus muille aineille kuin muuntajaöljylle voitaisiin varmis- taa, on laskentaa laajennettava sekä toteutettava uusia testejä. Tuotteelle on haettu patenttia.
ABSTRACT
Lappeenranta University of Technology LUT School of Energy Systems
LUT Mechanical Engineering Mikko Myllymäki
Designing structural retardation of fluid fires (PASU-project) Master’s thesis
2017
82 pages, 38 figures, 17 tables and 10 appendices Examiner: Professor Timo Björk
M.sc Ilkka Pöllänen
Keywords: fire protection disc, flammable fluids, collection pools, fire retardation
The goal of this master’s thesis was to design a structural solution to extinguishing liquid fires. The extinguishing structure doesn’t rely on any chemical additive or mechanical sys- tem. The structural extinguishing of liquid fires is based upon unfavourable conditions for burning reaction under the fire protection disc, created by the fire itself.
The fire extinguishing structure is constructed of a fire protection disk and a non-slip grating that is installed on top of it. The purpose of the non-slip grating is to act as a working plat- form and a walkway that is compatible with modern standard and to receive all loads sub- jected to fire protection structure except for snow loads. The purpose of the fire protection disk is to guide the liquids that come to contact with it and to act as a flame retarder. The fire extinguishing structure is built on a load-bearing frame made of steel-girders.
The effectiveness of the fire extinguishing capabilities of fire extinguishing structure were first studied using transformer oil. The study was conducted via literature check, calculations and testing. The calculations included strength, fire, corrosion and liquid flow calculations.
In the tests a rupture of an oil tank was simulated by pouring burning oil upon fire extin- guishing structure.
The fire protection structure that emerged in this master’s thesis works functions as planned and extinguishes visible flames on top of the structure in 6,5 seconds or less. The fire pro- tection structure also acts as a working platform and a walkway that is compatible with mod- ern standard and is capable to withstand a load of 5 kN / m2 and snow loads that occur in Finland. The fire protection structure is protected against corrosion by a zinc coating that withstands corrosion for 20-60 years.
In order to verify the functionality of fire protection structure for other flammable fluids the calculations must be expanded and new tests must be conducted. Patent pending.
ALKUSANAT
Tahdon osoittaa kiitokseni ohjaajalleni Timo Björkille kuten myös Pertti Väisäselle ja koko Fintekra Oy:lle sekä toiselle tarkastajalleni Ilkka Pölläselle että Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle tämän diplomityön mahdollistamisesta. Tahdon myös kiittää Kuopion Pelastus- opistoa sekä Espoon VTT:tä ja testeihin osallistunutta henkilökuntaa molemmista instans- seista, Fingrid Oy:tä ja sen palveluksessa olevia Mikael Wiréniä, Timo Heiskasta ja Anne Ventolaa suurjännitemuuntajaympäristöön liittyvien asioiden selvittämisessä, Vantaan Energia Sähköverkot Oy:tä sekä Mikko Piirosta. Haluan myös osoittaa suuret kiitokset per- heelleni, ystävilleni ja läheisilleni sekä ennen kaikkea rakkaalle vaimolleni Minna Myllymä- elle laantumattomasta uskosta ja kannustamisesta.
Mikko Myllymäki
Mikko Myllymäki Kuopiossa 17.10.2017
SISÄLLYSLUETTELO
TIIVISTELMÄ ... 1
ABSTRACT ... 2
ALKUSANAT... 3
SISÄLLYSLUETTELO ... 5
SYMBOLILUETTELO ... 8
1 JOHDANTO ... 10
2 TUTKIMUKSESSA KÄYTETYT METODIT ... 11
2.1 Kirjallisuuskatsaus ... 11
2.2 Haastattelut ... 11
2.3 Laskenta ... 11
2.4 Kokeet ... 11
3 SUURJÄNNITEMUUNTAJIEN VALUMA-ALTAIDEN PALONSUOJAUS ... 12
3.1 Suurjännitemuuntaja ... 13
3.2 Suurjännitemuuntajabunkkeri ... 13
3.3 Suurjännitemuuntajan valuma-allas ... 14
3.4 Valuma-altaan palonsuojaus. ... 15
3.5 Palon syttyminen muuntajissa ... 15
3.6 Nestepalon sammuttaminen ... 15
4 LIEKKILOUKKU PALONSUOJAKASETTI ... 17
4.1 Vertailu palonsuojainten kesken ... 17
4.1.1 Kiviarinan ominaisuudet ... 17
4.1.2 Ontelolaatta-arinan ominaisuudet ... 19
4.1.3 LHD-reikälevyn ominaisuudet ... 21
4.1.4 Meiser Stephuit FH ... 22
4.1.5 Liekkiloukku-palonsuojarakenteen ominaisuudet... 22
4.1.6 Palonsuojainten vastakkainasettelu ... 23
4.2 Palonsuojakasetin rakenne ... 24
4.2.1 Palonsuojakasetti ... 27
4.2.2 Huoltotaso ... 27
4.2.3 Runko... 28
4.3 Palonsuojakasetin toiminta ... 29
4.3.1 Huollettavuus ja kunnon tarkkailu ... 30
4.4 Turvallisuus ... 30
4.5 Palonsuojakasetin materiaalivalinta ... 30
4.5.1 Metallien ominaisuudet ... 31
4.5.2 Korroosionkesto ... 33
4.6 Lujuuslaskenta ... 36
4.6.1 kuormat ... 36
4.6.2 Runko... 37
4.6.3 Palonsuojakasetti ... 44
4.7 Virtauslaskenta ... 48
4.8 Palolaskenta ... 52
4.8.1 Palonkesto ... 52
4.8.2 Palavan aineen hapensaanti ja tukahtuminen ... 59
4.9 Jäätyminen ... 65
4.10Palonsuojarakenteen asennus ... 65
5 PALOTESTIT ... 67
5.1 Testilaitteisto ... 70
5.2 Itsenäiset testit ... 73
5.3 Testit VTT:llä ... 73
6 TULOKSET ... 75
6.1 Lujuuslaskenta ... 75
6.2 Tilavuusvirtaus ... 75
6.3 Korroosionkesto ... 76
6.4 Palolaskenta ... 76
6.5 Palokokeet ... 77
6.5.1 Itsenäiset palokokeet ... 77
6.5.2 VTT:lla tehdyt palokokeet ... 78
6.6 Palonsuojarakenteiden vertailu ... 79
7 JOHTOPÄÄTÖKSET JA JATKOTUTKIMUKSET ... 80
LÄHTEET ... 83
LIITTEET
LIITE I: Palonsuojakasettien rasitukset yksilöllisesti tuettuna LIITE II: Palonsuojakasettien tuennat
LIITE III: Vesitestien raportti
LIITE IV: Palokokeiden raportti (Fintekra Oy) LIITE V: Pelastusopiston testiraportti
LIITE VI: Testausselostus (VTT-S-3916-17) LIITE VII: Teräsrakenteiden lämpötilan laskuri LIITE VIII: Koottu Palolasku
LIITE IX: 120-IPE palkin laipan kimmoinen sekä plastinen ratkaisu LIITE X: Hazop-analyysi
SYMBOLILUETTELO
Ao aukon pinta-ala [m2] bp laipan leveys [mm]
C purkauskerroin
c/t poikkileikkauksen hoikkuusluku
E kimmokerroin [GPa]
Fd kuorman mitoitusarvo [N]
Feq vaikuttava, tasaisesti jakautunut voima [kN/m]
Fk suurin sallittu kuorma kasetille [kN/m2] Fko kuorman ominaisarvo
Frep kuorman edustava arvo [N]
fyk alempi myötöraja [MPa]
∆𝐻𝑐 höyryjen alempi palamislämpö [MJ/kg]
ho pinnankorkeus aukolta [mm]
hp palkin poikkileikkauksen korkeus [mm]
∆𝐻𝑅,𝑂2 palon tuottama energia happikiloa kohti [kJ/kg]
I pintahitausmomentti [mm4]
if,z ekvivalentin puristetun laipan jäyhyyssäde
kc momenttien jakautumisen mukainen korjauskerroin L laskennassa käytettävä jänneväli [mm]
Lc palkin keipahdustukien välimatka [mm]
𝑚̇𝑏 polttoaineen massavirta paloreaktiossa [kg/m2s]
Mc,Rd taivutuskestävyyden mitoitusarvo [kNm]
𝑚̇𝑔,𝑚𝑎𝑥 maksimaalinen kaasujen massavirta [kg/m2s]
Mmax maksimimomentti [kNm]
My,ed tukipisteiden välillä esiintyvä suurin momentin mitoitusarvo [kNm]
n varmuuskerroin
Pk pistekuorma [N]
q tilavuusvirta [m3/s]
Q tilavuusvirta [l/min]
rp viisteen säde [mm]
Sk suurin sallittu lumikuorma [kN/m2]
Ta vallitseva ilmanlämpötila [C]
tf laipan paksuus [mm]
Tg palokaasun lämpötila [C]
th aika tunneissa [h]
tl laipan paksuus [mm]
Tp tulipalon lämpötila [C]
ΔTt teräksen lämpötilanmuutos [C]
Tt teräksen lämpötila [C]
tw uuman paksuus [mm]
v nesteen virtausnopeus [m/s]
V valuma-altaan tilavuus [m3]
Vt teräsrakenteen tilavuus neliömetrillä [m3] Wpl plastinen taivutusvastus [mm3]
y etäisyys palkin keskelle reunalta [mm]
𝑌𝑂2,∞ vallitseva ilman happipitoisuus [%]
𝑌𝑂2,𝐿𝑂𝐼 paloa rajoittava hapen osuus [%]
α lämmönsiirtymisluku [W/m2 ̊C]
γf kuorman osavarmuusluku
γM0 laipan pistekuormituksen kestoa laskettaessa käytetty varmuuskerroin δmax maksimitaipuma [mm]
ε atwoodin numero εm emissioluku
λl materiaalin mekaanisten arvojen mukainen hoikkuus ρa ilman tiheys [kg/m3]
ρg palokaasun tiheys [kg/m3] ρt teräksen tiheys [kg/m3] σmax maksimijännitys [MPa]
𝜒 palamisen tehokkuuskerroin Ψ kuorman pienennyskerroin
1 JOHDANTO
Palavien nesteiden valuma-altaiden palonsuojauksessa tarkoitus on kerätä itse palava aine turvaan säiliöön ja sitten tukahduttaa se turvallisesti ja hallitusti. Pääasiallinen vastuu palon tukahduttamisesta on valuma-altaan kannella, jonka tulee olla niin läpäisevä, jotta palava neste valuu altaaseen tarpeeksi nopeasti aiheuttamatta pinnalla liikaa vahinkoa, sekä sen ver- ran tiivis, jotta altaassa palava neste ei saa tarpeeksi happea palon ylläpitämiseen kannen läpi vaan tukahduttaa itsensä käytettyään loppuun kaiken säiliössä olevan hapen. Lisähaasteen valuma-altaan kannen suunnitteluun tuo mahdollisimman suuren nestevirran sekä niin no- pean palontukahdutuksen mahdollistava rakenne, jotta suojattava kohde tai suojaava järjes- telmä eivät ehdi palossa lämmetessään vahingoittua. Tässä työssä käytetään esimerkkita- pauksena suurjännitemuuntajien valuma-altaita, mutta nämä laskut ja palonsuojaustavat ovat sovellettavissa myös muiden palavien nesteiden valuma-altaiden palonsuojauksessa.
Suurjännitemuuntajien ja muiden palavia nesteitä sisältävien rakenteiden vuodosta johtuvien palojen ehkäisy on nykyään suurimmaksi osaksi toteutettu kömpelöillä, vaarallisilla sekä hankalasti huollettavilla ratkaisuilla. Perinteistä raudoitusverkon päälle rakennettua kiviari- naa on yritetty parantaa toteuttamalla öljysäiliön kansi ontelolaatoista tai reikälevystä.
Näissä kaikissa on useita epäkohtia liittyen turvallisuuteen, huoltoon, toimivuuteen sekä itse rakenteeseen.
Työn tarkoituksena on tuoda esiin huoltotaso, joka on rakenteeltaan kevyt sekä vahva, helppo huoltaa ja asentaa sekä käsittää hyvän läpäisy- ja tukahdutuskyvyn. Työ tulee keskit- tymään palavien nesteiden valuma altaiden palonsuojakasetin kehitykseen käsittäen suunni- telmat kasetin rakenteesta ja toimintaperiaatteesta, lujuus-, palo- ja virtauslaskelmat, mitoi- tuksen sekä materiaalivalinnat ja niihin vaikuttavat tekijät, sekä pelastusopistolla että VTT:llä tehtävät palotestit. Pääpaino työssä on idean jalostaminen valmistusvalmiiksi, tes- tatuksi, toimivaksi ja turvalliseksi tuotteeksi.
2 TUTKIMUKSESSA KÄYTETYT METODIT
Tutkimuksen taustalla oli jo valmis idea kehiteltävästä tuotteesta. Tuotteen kehittämisen ja testaamisen tukena käytettiin kirjallisuuskatsausta, haastatteluita, laskentaa sekä kenttäko- keita.
2.1 Kirjallisuuskatsaus
Kirjallisuuskatsauksessa keskityttiin hakemaan taustatietoja, joiden perusteella voitiin tuot- teesta kehittää mahdollisimman tarkoituksenmukainen sekä käyttäjäystävällinen. Kirjalli- suuskatsauksen kautta saatiin tietoja edeltävistä palonsuojaratkaisuista ja voitiin niitä objek- tiivisesti tarkastelemalla selvittää palonsuojakasetille toivottavia ominaisuuksia sekä sen vaatimuksia. Lähdekirjallisuudesta saatiin myös teoreettista pohjaa suoritettaville laskuille sekä toiminnan varmistaville kokeille. Lähteiden haussa käytettiin pääasiassa internetin ja Lappeenrannan teknillisen yliopiston tietokantoja sekä fyysisiä kirjastoja ympäri suomen.
2.2 Haastattelut
Kirjoittamatonta, kokemukseen perustuvaa tietoa saatiin haastattelemalla eri toimihenki- löitä. Haastattelut olivat pääasiassa palavereissa ja tapaamisissa tapahtuvaa tietojenvaihtoa ja niitä toteutettiin koko projektin ajan.
2.3 Laskenta
Laskennassa keskityttiin tuotteen toimivuuden varmistamiseen sekä rakenteen kestävyyteen ja mitoitukseen. Laskenta koostui pääasiassa virtaus-, lujuus-, voima- ja pyrolaskuista.
Näillä keinoin saatiin tietoon tarvittavat mitoitusperusteet sekä voitiin varmistaa materiaali- valinta- ja valmistumenetelmäperusteita. Laskennallista osuutta hyväksikäyttäen voitiin myös määrittää tarvittavat kokeet tuotteen toiminnan varmistamiseksi.
2.4 Kokeet
Tutkimuksessa käytetty viimeinen tiedonhankintametodi oli kenttäkokeiden suorittaminen sekä itsenäisesti, että VTT:n kanssa. Kokeilla varmistettiin laskennallisen teorian paikkan- sapitävyys ja että palonsuojarakenne tulisi toimimaan suuremmillakin pinta-aloilla.
3 SUURJÄNNITEMUUNTAJIEN VALUMA-ALTAIDEN PALONSUOJAUS
Palonsuojakasetin kehitysprojekti alkoi puhtaasti tarpeesta uudistaa ja parantaa jo olemassa olevia palavien aineiden valuma-altaiden palonsuojausta. Edelliset käytännöt eivät lähem- min tarkasteltuna ole kovin käytännöllisiä taikka turvallisia ja oletettavasti niiden suunnitte- luun ei ole paneuduttu niin hyvin kuin aiheen vakavuus vaatisi. Pienemmissä valuma-altaissa ei palonsuojausta edes välttämättä löydy. Rakenteen muotoja ja materiaalia alettiin pohtia aivan uudesta näkökulmasta niin muodon kuin materiaalinkin kulmasta pääfunktion säily- essä entisenä. Tässä tutkimuksessa käytetään useasti esimerkkinä öljyjäähdytteisiä suurjän- nitemuuntajia, joiden valuma-altaiden palonsuojauksessa on käytetty yleisesti kiviarinaa, ontelolaatta-arinaa sekä uutuutena LHD- ja Stephuit FH-reikäpeltiä, jotka on esitetty kuvissa 1-3.
Kuva 1. Tyypillinen kiviarina Kuva 2. Tyypillinen ontelolaatta-arina
Kuva 3. LHD-reikäpelti. (PcP 2013c)
3.1 Suurjännitemuuntaja
Sähköenergian siirrossa on edullista käyttää mahdollisimman pientä virtaa ja suurta jänni- tettä, varsinkin siirrettäessä energiaa pitkiä matkoja. Siksi energialaitoksissa tuotettava säh- köenergia muunnetaan generaattorin muodostamasta muutamasta kilovoltista ylöspäin jopa useaan sataan kilovolttiin. (Teollisuuden Voima Oyj 2013, s. 34) Tällainen suurjännite voi- daan voimalinjoja pitkin siirtää pitkiä matkoja vähähäviöisesti. Sähkön jakeluverkon voima- linjoissa on suurjännitemuuntoasemia, joissa suurjännite muunnetaan pienemmäksi, kotita- louksien käyttöön sopivaksi verkkojännitteeksi. Muuntajissa käämit ja rautasydämet on upo- tettu säiliöön, joka on täytetty muuntajaöljyllä. (Trafcomic 2017) Suurjännitemuuntajien säi- liöiden alapuolella on huoltotasot, joita käytetään muuntajien huoltoon. Huoltotason alapuo- lella on allas, säiliö tai vastaava, jonka tehtävänä on estää säiliöistä valuvan öljyn pääsemi- nen ympäristöön. Näin ollen huoltotasolla on voitava liikkua ja sen tulee olla sellainen, että öljy pääsee tehokkaasti valumaan sen läpi. Lisäksi huoltotason tulee tukahduttaa mahdolli- nen öljypalo, jos palavaa öljyä vuotaa yläpuolella olevasta säiliöstä. (Väisänen 2017) (Wirén 2017a)
3.2 Suurjännitemuuntajabunkkeri
Suurjännitemuuntajien ympärille on yleensä rakennettu betoninen bunkkeri, jonka yksi seinä koostuu irrotettavista settipalkeista muuntajan ulosottoa varten, kuten kuvasta 4 voidaan ha- vaita (Väisänen 2017) (Wirén 2017b).
Kuva 4. Suurjännitemuuntajan bunkkeri.
3.3 Suurjännitemuuntajan valuma-allas
Suurjännitemuuntajien valuma-altaat ovat yleisesti betonista valettuja tyhjennyskanavat omaavia altaita. Muuntajien siirtoa ja huoltoa varten on altaissa keskivaiheilla korokkeet, joita pitkin kulkevia kiskoja muuntajaa voidaan siirtää suojabunkkerista ulos ja sisään. Näi- den kyseisten bunkkereiden keskivaiheilla yleensä kulkee myös jakoseinä poikkisuuntaan muuntajan kuljetuskiskoihin nähden. Nämä seinämät sekä valuma altaan tyypillinen rakenne on esitetty kuvassa 5. (Väisänen 2017) (Wirén 2017b)
Kuva 5. Valuma-allas ylhäältä kuvattuna. (Wirén 2017b)
Nämä seinämät eivät kuitenkaan ole umpinaisia, vaan niiden alaosassa on kuvissa 6 ja 7 esitettyjen leikkausten mukaisia aukkoja. Nämä aukot mahdollistavat nestepinnan tasaisuu- den koko altaan alalla, jolloin yksi sektio ei pääse tulvimaan. (Väisänen 2017) (Wirén 2017)
Kuva 6. Valuma altaan A-A – linjan poikkileikkaus (Wirén 2017b)
Kuva 7. Valuma-altaan B-B – linjan poikkileikkaus (Wirén 2017b)
3.4 Valuma-altaan palonsuojaus.
Yleisesti valuma-altaiden palonsuojaus on toteutettu puoliläpäisevällä rakenteella, josta neste pääsee läpi suojattuun säiliöön mutta joka rajoittaa mahdollisen palon hapensaantia.
Syttyneen aineen sammutus on sitten toteutettu sprinklerein, vaahdotuksin tai nestettä läpäi- sevä kansi ei päästä lävitsensä tarpeeksi happea, jotta aine voisi palamista jatkaa vaan tukah- tuu pian käytettyään säiliössä olevan vapaan hapen. (Väisänen 2017) (Wirén 2017a)
3.5 Palon syttyminen muuntajissa
Palon syttyminen tarvitsee kolme tekijää: happea, palamiskelpoista ainetta, esimerkiksi muuntajaöljyä sekä lämmönlähteen. Muuntajaöljyä voi vapautua vahingon, rasituksen tai onnettomuuden aiheuttamasta vuodosta. Yleensä vuodot ovat volyymiltaan pieniä; vain noruen muuntajan kylkeä pitkin tipoittain ja johtuen tiivisteiden tai liitosten pettämisestä.
(Electrotechnic 2017) Paineet muuntajan jäähdytys-systeemissä eivät ole suuria, sillä sys- teemi perustuu lämmöstä aiheutuvaan luonnolliseen kiertoon, ja suurin paine tulee paisun- tasäiliön sijoittelusta johtuvasta hydrostaattisesta paineesta. (Väisänen 2017) (Wirén 2017a) Tutkimuksessa otettiin kuitenkin huomioon putken tai säiliön halkeamisesta sekä eristeen rikkoutumisesta johtuvat kokoluokaltaan suuremmat vuodot.
Palon sytyttäjänä suurjännitemuuntajapaloissa voi toimia kipinä, oikosulku tai rakenteeseen varautuneen sähkölatauksen äkillinen purkautuminen (Aurecongroup 2017) (T&D World 2017).
3.6 Nestepalon sammuttaminen
Perinteisesti nestepalon sammutus on toteutettu joko vedellä tai sammutuskäyttöön tarkoi- tetulla vaahdolla. Menetelmät perustuvat palavan aineen tai ympäristön viilentämiseen taikka hapensaannin rajoittamiseen. (Chemguard 2017a)
Tulva-sprinkleri -systeemi (eng. deluge) perustuu hienon vesisumun lämmönsitomiskykyyn ja sitä käytetäänkin usein kohteissa, joissa palonsuojaukselta vaaditaan paljon, kuten suur- jänniteympäristöissä tai polttoaineen säilytyksen yhteydessä. Tulva-sprinkleri – systeemi eroaa normaalista sprinklerisysteemistä siten, että sprinkleriputkistossa ei ole jatkuvaa pai- netta, vaan systeemiin virtaa vesi vasta kun anturi (savu, lämpö, säteily) laukeaa palosta va- roittaen. Kun anturi sitten lauetessaan avaa venttiilin, paineistuu sprinklerisysteemi ja alkaa tuottaa hyvin hienojakoista vesisumua. Sumulla pyritään imemään lämpöä palotapahtumasta samalla rajoittaen palon saamaa happea. (Viking 2009, s. 4)
Vesi on ongelmallista hiilivetypohjaisten palojen sammuttamisessa, sillä se hiilivetyjä ras- kaampana jättää palavan aineen päällensä palamaan. Palon sammumisen jälkeen jäljellä on veden ja hiilivedyn seosta, jota voi olla vaikea hävittää. Vesisumun hienojakoisuudesta joh- tuen voi sen saaminen oikeaan paikkaan vääränlaisissa olosuhteissa (tuuli, kaasuvirtaukset, lämpönoste) olla myöskin haastavaa. (Valtanen 2016, s. 382)
Vaahdotussysteemi pyrkii sammuttamaan nestepalot eristämällä palavan aineen lämmönläh- teestä sekä hapekkaasta ilmasta ja samalla viilentäen sitä. Vaahto koostuu vedestä, vaahtoa- vasta aineesta sekä ilmasta ja hiilivetyjä kevyempänä kelluu niiden päällä. Vaahdottimia varten pitää rakentaa mittava järjestelmä, joka yksinkertaistettuna koostuu vedenlähteestä, vaahtoaine-säiliöstä, kontrollisysteemistä sekä itse vaahdotinlinjastosta.
Vaahtoutuva aine voi mennä vanhaksi ja sen kuntoa tulee valvoa ajoittain. Vaahdotus on myös hankalaa tuulisissa tai muuten esteellisissä oloissa vaahdon keveyden takia, ja sitä voi- daan hankalien olosuhteiden vuoksi joutua käyttämään moninkertaisia määriä ihanneolosuh- teisiin verrattuna. Palon tukahtumisen jälkeen on jäljellä hiilivetyjen ja palonsammutusvaah- don seosta, jota voi olla hankala ja kallis hävittää.
(Chemguard 2017a) (Chemguard 2017b, s. 1-2)
4 LIEKKILOUKKU PALONSUOJAKASETTI
Idea Liekkiloukku palonsuojakasettiin syntyi ajatuksesta, ettei palavien nesteiden palonsuo- jauksen eteen ole tehty vielä kaikkea mahdollista käytettävyyden, turvallisuuden ja toimi- vuuden suhteen. Pyrkimyksenä oli luoda turvallisuusstandardit täyttävä, laskennallisesti toi- miva ja toistettavissa oleva, kevyt mutta luja rakenne.
4.1 Vertailu palonsuojainten kesken
Rakennetta määrittämään valittiin funktion lisäksi modulaarisuus ja helppo kunnon tarkkailu sekä huolto. Idea tarkasteltaviin seikkoihin ja toteutustapoihin saatiin jo olemassa olevissa rakenteissa käytetyistä ratkaisuista kuten myös niiden epäkohdista ja puutteellisuuksista.
4.1.1 Kiviarinan ominaisuudet
Kiviarina koostuu toisiinsa yhdistetyistä teräsrakenteista tai - verkoista, jonka päälle ja/tai väleihin on sijoitettu noin 400–500 mm syvyydeltä kivimateriaalia. Kuvassa 8 on esitetty eräs kiviarinalla varustettu suurjännitemuuntaja-bunkkeri. Tällainen kiviarinahuoltotaso on märällä kelillä liukas, ylipäänsä vaikeakulkuinen ja hankala huoltaa. Teräsverkko on uusit- tava aika-ajoin, mikä on kallista ja hankalaa. Teräsverkon kunnontarkkailukin on erittäin haasteellista teräsverkon kunnon vaihdellessa koko valuma-altaan alalla. Saadakseen luotet- tavan kuvan teräsverkon kunnosta on se tarkastettava koko alalta joko kivet poistamalla tai alapuolelta. Yhden pisteen tuloksia ei siis voi laajentaa kattamaan koko rakennetta. Kiviari- nahuoltotason öljyn läpäisykyky määräytyy olennaisesti käytettävän materiaalin eli kivien koosta sekä niiden latomistavasta. Tämän kaltaista läpäisevää rakennetta on mahdotonta tehdä tasalaatuiseksi tai samanlaisena toistettavaksi ja on siten itsessään jo riski palonsuo- jauksessa. Mikäli käytetään pieniä kiviä, ei läpäisykyky ole hyvä, jolloin on olemassa ym- päristövahingon riski. Kun teräsverkko ruostuu, muodostuu henkilövahinkoriski. Kivien asettelu purku/rakentamisvaiheessa on työlästä ja vaatii pinnalle erillisen kulkutien. Kiviari- nan puolesta voidaan sanoa sen olevan yksinkertaisin mahdollinen tapa luoda nestettä läpäi- sevä mutta palon hapensaantia rajoittava rakenne. Perinteistä kiviarinaa ei ole myöskään suunniteltu kannattelemaan mitään hyötykuormaa ja jo henkilön massa voi osoittautua ra- kenteelle ja henkilölle itselleen kohtalokkaaksi. Kiviarinarakenne on kallis ja sillä on huono kuormituksen kesto. Tällainen huoltotaso ei täytä nykyisiä standardeja. (Wirén 2017a) (Väi- sänen 2017)
Kuva 8. Nesteen leviäminen kiviarinalla.
Seuraavassa listataan kuvan 23 mukaisen kiviarinan tärkeimmät ominaisuudet.
Ei vaadi raskasta laskentaa
Yksinkertainen
Liukas, vaikeakulkuinen, vaikea huoltaa, teräsverkko uusittava työ kallista ja vai- keaa
Öljyn läpäisykyky huono ympäristövahingon riski
Kivien asettelu vaikeaa ja kallista, (purku/rakennus)
Vaatii pinnalle erillisen kulkutien
Kallis
Huono kuormituksen kesto, ei nykystandardin mukainen
Öljyvuodot täytyy pestä kivistä pois
Öljynläpäisykyky ei ole määriteltävissä
Kantavien rakenteiden kunnon tarkkailu vaikeaa
4.1.2 Ontelolaatta-arinan ominaisuudet
Ontelolaatta-arina on hieman pidemmälle mietitty versio valuma-altaan palonsuojauksesta, sillä siinä nesteen läpi päästävien rakojen koko on standardoitavissa ja toistettavissa asen- nuksen käyden myös nopeasti. Ontelolaatta-arinoissa on betonista valmistettuja ontelolaat- toja vierekkäin ja limittäin ja niiden välissä on raot, joista öljyn on tarkoitus päästä valumaan alas. Se on nopea asentaa neliömääräänsä nähden mutta voidaan asentaa vain uusiin kohtei- siin ennen muuntajaa ja ontelolaatat ovat erittäin raskaita pinta-alaansa nähden. Ontelolaatta- arinassa ei myöskään ole kovin paljon läpäisevää pintaa arinan pinta-alaan nähden ja öljy- vuodon sattuessa se vain levittää paloa pikemmin kuin tukahduttaa sitä kuten kuvasta 9 voi havaita. Ongelmana ovat myöskin laattarakenteesta muodostuvat pitkät leveät, kuvan 10 mu- kaiset, raot tai saumat, koska huoltotason päällä liikuttaessa on vaarana astua niihin ja va- hingoittaa itseään. Ontelolaatta-arina myös rapautuu sään ja öljyn läsnäolon vaikutuksesta ja kerää päällensä sammalta yms. kuvan 11 mukaisesti, joka voi muodostaa riskin liukastua.
Lisäksi jos huoltotasolla on öljyvalumia, se on liukas eikä sen päälle voi asettaa esimerkiksi tikkaita turvallisesti. Huolto ja laattojen vaihto on erittäin hankalaa. (Wirén 2017a) (Väisä- nen 2017)
Kuva 9. Öljypisaran leviäminen ontelolaatta-arinassa.
Kuva 10. Aukko ontelolaatta-arinan elementtien välissä.
Kuva 11. Ontelolaattaelementin rapautuminen.
Seuraavassa on listattuna ontelolaatta-arinan tärkeimmät ominaisuudet.
Yksinkertainen
Helposti mukautettavissa
Liukas (öljy, vesi, lumi), pitkät ja leveät raot vaarallinen käyttää
Raskas, kallis, huono kuormituksen kesto
Ei voida rakentaa käytössä olevalle muuntajalle soveltuu vain uusiin kohteisiin
Huollon tarve veden pääsy onteloihin, rapautuminen
Ei nykystandardin mukainen huoltotaso
Suuri palopinta, 14,5 m2 / ontelolaatta (1,2 m * 12 m )
Kalliit ja raskaat tukirakenteet
Öljyvuodot täytyy pestä laatan pinnasta pois
Rapautuminen voimakasta
4.1.3 LHD-reikälevyn ominaisuudet
LHD-reikäpelti on uusi tanskalainen vastaus palavien aineiden valuma-altaiden ja erityisesti öljyjäähdytteisten muuntajien palonsuojaukseen. Rakenne koostuu erillisistä rei’itetyistä ja muotoon kantatuista levyelementeistä, kuten kuvassa 12 on esitetty. Etuna edellisiin verrat- tuna on kevyt rakenne, joka mahdollistaa vaivattoman asennuksen ja helpon tuennan. Ra- kenne on myös yksinkertainen ja voidaan toteuttaa alusta loppuun levytyökeskuksella ja kanttikoneella nopealla tahdilla. Valmistaja lupaa 4,1 % pinta-alasta olevan läpäisevää ja tukahduttavan öljypalon 6 sekunnissa. Tässäkin on kuitenkin sama ongelma kuin aikaisem- missakin palonsuojaus-ratkaisuissa, sillä sammutuspinta on sama kuin työskentelypinta, mikä tekee siitä haavoittuvan iskuille ja mahdollisesti vaarallisen liukkaan roskien ja jään- nösöljyn vuoksi. Sopivasta iskusta aiheutunut reikä pinnassa saattaa tehdä koko rakenteesta hyödyttömän palonsuojausmielessä. (PcP 2013a, s. 3-12)
Kuva 12. LHD-Reikälevy (Rakovic 2015, s. 8).
Yksinkertainen rakenne
Kevyt
Liukas (öljy, vesi, lumi)
Roskat tukkivat valumareiät huollon tarve
Öljyn läpäisykyky huono talvella
Iskut ja palot kuormittavat suoraan kantavaa rakennetta
Vaatii maadoituksen jokaisen kasetin osalta
Irto-osien määrä suuri
Ei sovellu pohjoisiin oloihin lumen, jään tai roskaantumisen vuoksi
Öljyvuodot täytyy pestä pinnasta pois
Kantavien rakenteiden kunnontarkkailu vaikeaa
4.1.4 Meiser Stephuit FH
Meiserin valmistama Stephuit FH on olennaisilta osiltaan LHD-reikälevyn kaltainen ja sii- hen pätee samat hyödyt sekä haitat (Finnritilä 2012 s. 19–21).
4.1.5 Liekkiloukku-palonsuojarakenteen ominaisuudet.
Edellisiä palonsuojausrakenteita tarkastellessa käy ilmeiseksi, että tällä saralla ei ole vielä keksitty täydellistä pitkäaikaisratkaisua, joka olisi tehokas, turvallinen sekä helppo huoltaa ja asentaa. Äsken lueteltujen palonsuojaimien puutteista ja epäkohdista tehtiin lista, jonka perusteella alettiin ideoida täysin uudenlaista rakennetta, jossa em. puutteita ei löytyisi. Ra- kenteen tuli olla kevyt, kuormitettavissa sekä kestävä. Sen täytyi päästää nesteet ja roskat lävitsensä nopeasti mutta rajoittaa kuitenkin tarpeeksi mahdollisen palon hapensaantia, jotta lämpö ei ehtisi rakenteita vaurioittamaan. Rakenteen tuli olla myös modulaarinen, yksinker- tainen sekä helposti vaihdettavissa/asennettavissa. Myös huollon sekä kunnon tarkkailun helppous otettiin tuotekehityksessä huomioon.
Näistä lähtökohdista syntyi kuvan 13 mukainen kaksiosainen palonsuojarakenne.
Kuva 13. Liekkiloukku
Liekkiloukun rakenne on toteutettu kahdesta osasta, joista alempi huolehtii nesteen lä- päisystä sekä tulen tukahdutuksesta, kun taas yläpuolella oleva turvaritilä suojaa alempaa rakennetta iskuilta ja antaa samalla pitävän ja kestävän tason työskennellä.
• Sammuttaa palon alle 5 sekunnissa
• Hyvä veden ja öljyn läpäisykyky 950 l/min/m2
• Turvallinen nykystandardin mukainen liukuturvalla varustettu kulku- ja huoltotaso
• Palonsuojakasettia voidaan käyttää kaikilla tarkoitukseen soveltuvilla markkinoilla olevilla turvaritilöillä
• Vahva ja kevyt rakenne, tason kantavuus voidaan mitoittaa asiakkaan tarpeen mu- kaan
• Voidaan asentaa vanhoihin ja uusiin rakenteisiin, pieni rahtikustannus
• Asennus voidaan tehdä ilman keskeytystä, käytön aikana
• Kevyt rakenne, voidaan asentaa ilman nosturia, paino vain 1/10 kiviarinan painosta.
• Itsepuhdistuva (sadevesi huuhtelee)
• Pitkä käyttöikä, kuumasinkitty rakenne
• Matala rakenne vanhoissa kohteissa valuma-altaan tilavuus kasvaa ja uusissa koh- teissa pienentää altaan rakennuskustannuksia
• Rakenteessa 2,4 % ilmakanavaa
• Soveltuu pohjoisen oloihin
• Saadaan tasomainen hyvin liikuttava turvallinen pinta koko valuma-altaan alueelle
• Jatkuva kunnonvalvonta, rakenteet näkyvissä
• Edulliset rakennuskustannukset
• Huoltovapaa
• Ympäristöystävällinen tuote, ei synny ongelmajätettä
• Öljyvuodon jälkeen ei vaadi pesua (pinta ei ole liukas öljyisenäkään, pito paranee vielä liukuturvaritilää käyttämällä)
• Palonsuojakasetti vahva rakenne, kestää lumikuormat
4.1.6 Palonsuojainten vastakkainasettelu
Vertailuun otettiin kehitettävän tuotteen lisäksi kolme jo olemassa olevaa ja yleisesti käytet- tyä ratkaisua, joita palavien aineiden valuma-altaiden palonsuojauksessa on käytetty etenkin suurjännitemuuntajien yhteydessä. Vertailun tulokset on avattu taulukkoon 1.
Taulukko 1. Suurjännitemuuntajien valuma-altaiden palonsuojaustavat palonsuoja-kaset- tiin verrattuna.
Kiviarina Ontelolaatta LHD/
Stephuit FH
Palonsuoja-ka- setti
Modulaarinen X X X
Voidaan asen- taa jo olemassa
oleviin kohtei- siin
X X X
Helppo kunnon tarkastus
X X
Helppo huoltaa X X
Standardoita- vissa
X X X
Iskunkestävä X
Rakennusteli- neen tai muun lisälaitteen kes-
tävä
X
Nopeasti asen- nettava
X X X
Turvallinen kä- vellä
X
Korroosionkes- toikä [vuotta]
50< 20–60
Pitkäikäinen X X
4.2 Palonsuojakasetin rakenne
Liekkiloukku- palonsuojarakenne koostuu kolmesta elementistä, rungosta, tasomaisesta pin- nasta ja itse palonsuojakasetista kuten kuvasta 14 voi havaita.
Kuva 14. Palonsuojarakenteen ensimmäinen versio.
Palonsuojarakenne on kuitenkin uusien vaatimusten sekä valmistus- että asennusteknisten seikkojen vuoksi muuttanut muotoaan. Siinä missä palonsuojakasetti ja liukuturvaritilä oli- vat ennen erillään ja asennettiin runkorakenteeseen, on nyt palonsuojakasetti sekä liukutur- varitilä asennettu yhteen modulaariseksi rakenteeksi, jonka voi muutamalla kiinnityskoh- dalla asentaa runkorakenteen päälle. Tämä mahdollistaa nopeamman asennuksen ja kestä- vämmän rakenteen kun palonsuojakasetti voi käyttää liukuturvaritilää tukenaan. Uudenlai- nen palonsuojarakenne on esitetty kuvissa 15 ja 16.
Muotoilun muuttumiseen vaikutti myös jäätymisestä johtuvat voimat ja niiden väistäminen.
Tästä on kerrottu lisää omassa osiossaan.
Kuva 15. Palonsuojarakenne (Fintekra Oy)
Kuva 16. Palonsuojarakenteen leikkaus
Rakenteen jako kolmeen erilliseen elementtiin mahdollistaa tehtävien jakamisen eri ele- menttien kesken. Tällöin palonsuojakasetin ei tarvitse kannatella suurta hyötykuormaa lu- mikuorman lisäksi vaan sen rakenne ja materiaalivahvuudet voidaan suunnitella toimimaan täysin palonsuojauksen kannalta.
4.2.1 Palonsuojakasetti
Palonsuojakasetin tuli alusta asti täyttää useita vaatimuksia, joista tärkein vaatimus palon- suojakasetilta oli toimivuuden varmistus suurenkin vuodon ja palon tapauksessa. Kasetin geometria suunniteltiin sellaiseksi, että se päästäisi palavan nesteen lävitsensä mahdollisim- man nopeasti tukahduttaen alleen syttyneen palon myöskin mahdollisimman pikaisesti.
Näitä kahta parametria keskenään vertailemalla päästiin optimaaliseen arvoon kasetin pinta- alan sekä kasetissa olevien aukkojen pinta-alan suhteen. Toinen vähintäänkin yhtä tärkeä kasettia määrittävä ominaisuus oli modulaarisuus: kasetti tuli olla helposti asennettavissa ja vaihdettavissa, sen tuli sopia moneen paikkaan ja olla helposti muokattavissa kulloiseenkin tilanteeseen sopivaksi. Kasetin muoto suunniteltiin myös sellaiseksi, että se toimisi samalla vahvikkeena itsellensä eikä tarvitsisi erillistä tuentaa. Muodon suunnitteluun vaikutti myös pyrkimys tehdä kasetista mahdollisimman vähän palavaa ainetta ympäristöönsä levittävä, jolloin mahdollista paloa olisi pinnalla paljon helpompi hallita. Jään muodostumisesta sekä lämpölaajenemisesta johtuvat voimat ja niiden huomioiminen vaikuttivat myös voimak- kaasti kasetin muotoiluun. Millimetrin paksu teräs ei deformoitumatta kovin suuria kuormia kestä, joten tärkeäksi tuli muotoilla kasetti niin, että nämä voimat voitiin pikemminkin vält- tää kuin vastaanottaa.
4.2.2 Huoltotaso
Entisissä palonsuojaratkaisuissa ei tarkastelun mukaan tasopinta sovellu kovin hyvin huol- totasoksi. Epäkohtia oli useita aina jäykkyyden vähyydestä liukkauteen. Nämä epäkohdat on esitetty kattavammin vertailu-osiossa. Lähtötilanne Liekkiloukku-palonsuojakasetin ja sitä ympäröivän rakenteen kanssa oli, että sen tulee soveltua myös nykystandardit täyttäväksi huoltotasoksi. Sen tulisi olla muotoluja, kestävä, turvallinen astua sekä helppo ja halpa asen- taa sekä huoltaa. Parhaana ratkaisuna tähän pidettiin pinnastaan karhennettua turvaritilää sen ominaisuuksien vuoksi: se kestää suuriakin rasituksia (vaatimus: 5 kN/m2 hyötykuorma), on helppo asentaa sekä on helposti saatavilla.
Edellisissä ja nykyisissäkin ratkaisuissa on kulkutason pinnasta suurin osa umpinaista pin- taa, joka varsinkin lumettuvissa ja roskaantuvissa oloissa voi muodostua ongelmaksi. Liu- kuturvaritilää huoltotasona käyttäen on pinnasta noin 84 % aukkoa, jolloin lumen ja roskien kertyminen tulee olemaan paljon pienempi ongelma. Liukuturvaritilä päästää lävitseen koh- tuullisen lumisateen sekä roskat, eikä ole suurenkaan öljyvuodon jälkeen liukas. (Finnritilä 2017 s. 16 & 26)
4.2.3 Runko
Rungon kehitys on seurannut tiiviisti palonsuojakasetin kehitystä. Pystysuorien pintojen poistuminen palonsuojakasetista tarkoitti että palonsuojakasetin saattoi nyt asentaa runkora- kenteen päälle ja suoraan liukuturvaritilän alle. Tämän johdosta runkorakenteena päädyttiin käyttämään IPE-palkkeja niiden jäykkyyden sekä muodon vuoksi. Rungon mitoitusperusteet on esitetty lujuuslaskenta-kappaleessa.
Rungon ideoinnissa lähdettiin U-palkista sen käytännöllisten laippojen ja hyvän muotojäyk- kyyden vuoksi. Alun perin U-palkkien tuli olla aukot vastakkain, jotta palonsuojakasetin voisi helposti asetella ja kiinnittää alalaippoihin. Ajatuksesta kuitenkin pian luovuttiin, kun alettiin pohtia palonsuojakasetin asennusta runkoon itse työmaalla: jos U-palkkien etäisyys olisi vähänkään niukka, olisi palonsuojakasettia erittäin vaikea pujottaa runkoon. Sen sijaan päädyttiin käyttämään U-palkkia, jonka selkäpuolelle alas tultaisiin kiinnittämään laippa ku- van 17 mukaan.
Kuva 17. Rungon vanha profiili.
Palonsuojakasetin toimintaa jäätymistilanteessa tarkasteltaessa jouduttiin kasetin geomet- riaa muuttamaan, jolloin tuenta voidaankin toteuttaa perinteistä U-palkkia hyväksikäyttäen.
Edellä esitetty laipallinen U-palkki sopii erikoistilanteisiin, jolloin palonsuojakasetin täytyy sijaita tietyn matkan päässä huoltotason alapinnasta.
4.3 Palonsuojakasetin toiminta
Palonsuojarakenne koostuu huolto- ja kulkutasona toimivasta liukuturvaritilästä, sekä sen alle tulevasta palonsuojakasetista, joka on viistoista pinnoista koostuva levyrakenne. Tämä yhdistelmä viistoja pintoja sekä niiden päällä kulkevia liukuturvaritilän kantoteräksiä toimii ohjurina nesteille sekä kiinteille objekteille. Viistot pinnat ohjaavat niille putoavan nesteen tehokkaasti poistoaukkoa kohden ja kantoteräkset rajoittavat mahdollisten roiskeiden alaa vähentäen näin mahdollisen palonsuojarakenteen yläpuolisen nestepalon alaa.
Viistot pinnat myös kasvattavat itsepalonsuojakasetin pinta-alaa, jolloin rakenteellinen pinta-ala on suurempi kuin suojattavan alueen pinta-ala. Tämä mahdollistaa fyysisesti suu- rempien aukkojen käyttämisen niiden suhteellisen pinta-alan ja siten toiminnan pysyessä sa- mana kuin suoralla pinnalla olevien pienempien aukkojen. Toisin sanoen aukon koko mää- räytyy sen isäntärakenteen profiilista, jos aukon pinta-alan suhde pidetään samana isäntära- kenteen pinta-alaan nähden. Rakenteellisen pinta-alan suhde suojattavaan pinta-alaan on merkittävä myös lämpenemisen kannalta. Suurempi pinta-ala toimii tehokkaammin jäähdyt- timenä sen haihduttaessa mahdollisesta palosta syntynyttä lämpöä tehokkaammin kuin pie- nempi pinta-ala. (Valtanen 2016, s. 196) Liukuturvaritilän kantoteräkset myös toimivat jääh- dyttävänä rakenteena omalta osaltaan.
Vaikkakin palolaskuissa olennaista onkin vain projisoitu aukon koko palopinta-alaan näh- den, on aukon todellisella fyysisellä koolla kuitenkin merkitystä palonsuojakasetin nesteen- läpäisevyyttä laskettaessa. Palonsuojakasetin viistot pinnat myös mahdollistavat tietyillä nestevolyymeillä hydrostaattisen paineen muodostumisen, jolla on kiihdyttävä vaikutus nes- teiden virtausmäärää laskettaessa. (Valtanen 2016, s. 185-187)
4.3.1 Huollettavuus ja kunnon tarkkailu
Erittäin tärkeänä rakennetta suunniteltaessa pidettiin tuotteen modulaarisuutta, niin että se olisi mahdollisimman yksinkertainen ja helposti asennettavissa sekä vaihdettavissa. Raken- teen tuli olla myös helppo purkaa ja sen kunto tuli olla helposti ja turvallisesti tarkastetta- vissa.
Liekkiloukun palonsuojakasetit ovat koko ajan näkyvillä, joten kunnon tarkkailu on vaiva- tonta. Rakenteen alle pääsee helposti, sillä jokainen, kooltaan 1 m2 moduuli, voidaan irrottaa vain 4 kiinnikettä avaamalla. Moduulin poisto ja siirtokin on suhteellisen vaivatonta, sillä 1 m2 moduuli painaa vain noin 35 kg.
Liekkiloukun ja huoltotason rakenne on toteutettu niin, että liekinestin puhdistuu sadeveden vaikutuksesta. Palonsuojakasetille mahdollisesti päätyneet roskat kulkeutuvat sadeveden mukana palonsuojarakenteen alle valuma-altaaseen palonsuojakasetin viistojen pintojen sekä pohjan aukkojen ansiosta. Näin ollen ei Liekkiloukkua tarvitse olla jatkuvasti valvo- massa ja puhdistamassa, jotta se säilyisi toimintakuntoisena.
4.4 Turvallisuus
Palonsuojakasetin ja liukuturvaritilän väliin mahtuu neliölle noin 30 dm3 öljyä. Lisäksi liu- kuturvaritilän kantoteräkset ohjaavat virtausta ja kasetin läpi menevän aineen tilavuusvir- tauksen ollessa yli 900 l/m2/min voi palonsuojarakenteen asentaa esimerkiksi suurjännite- muuntaja-bunkkerissa aivan tuuletusaukkojen ja sisääntulotason tasaan. Näin palonsuojara- kenteen ja muiden kulkuteiden välille ei tule mitään porrasta ja palonsuojarakenne saadaan koko alaltaan täysin tasaiseksi, jolloin huoltotaso täyttää nykystandardin SFS-EN ISO 14122–2:2016 vaatimukset.
Turvallisuuden takaamiseksi palonsuojakasetille tehtiin HAZOP-riskianalyysi, joka on esi- tetty liitteessä X.
4.5 Palonsuojakasetin materiaalivalinta
Rakenteen tuli olla tehty lämpöä ja korroosiota kestävästä materiaalista, joka olisi tarpeeksi lujaa kestääkseen lumikuorman mutta tarpeeksi kevyttä, jotta rakenne olisi helppo asentaa
ilman nostimien apua. Kasetin materiaalin tuli myös olla tarpeeksi suuren murtovenymän omaava ja muovattavuudeltaan hyvä, jotta se kelpaisi syvävetoon. Olennaiseksi materiaali- valintakriteeriksi muotoutui myös materiaalin lämpölaajenemiskerroin, ominaislämpökapa- siteetti, sekä lujuusominaisuuksien säilyminen sitä lämmitettäessä. Lähempään tarkasteluun otettiin ruostumaton teräs, syvävedettävä, kylmävalssattu alapii-alueen teräs DC04 sekä hit- sattava, myöskin kylmävalssattu DC01. Tästä lähin DC01-DC07-teräksistä yhdessä yhtey- dessä puhuttaessa käytetään niistä ryhmänimitystä DC0X.
4.5.1 Metallien ominaisuudet
Taulukossa 2 on esitetty tyypillisten ruostumattomien teräksien fysikaalisia arvoja.
Taulukko 2. Tyypillisten ruostumattomien terästen fysikaalisia arvoja. (Mukaillen: Outo- kumpu 2013, s. 55)
Ruostumattoman teräksen tyyppi
Ominaisuus Ferriit-
tinen
Martensiittinen Duplex Austeniittinen
Tiheys [g/cm3] 7,7 7,7 7,8 7,9-8,1
Kimmokerroin [GPa] 220 215 200 190-200
Lämpölaajeneminen [*10-6/C] 200-400 C
11 12 15 17-18
Lämmönjohtavuus [W/mC] 20C
30 30 12-15 15
Lämpökapasiteetti [J/kgC] 20C
460 460 500 500
Taulukossa 3 taas on esitetty DC01-teräksen vastaavat arvot ja taulukossa 3 vielä DC0X- terästen mekaaniset ominaisuudet.
Taulukko 3. kylmämuovatun DC01-teräksen fysikaaliset ominaisuudet. (mukaillen: Kin- machi 2017)
DC01
Tiheys [g/cm3] 7,78
Kimmokerroin [GPa]
206
Lämpölaajenemi- nen [*10-6/C]
11,7
Lämmönjohtavuus [W/mC]
73,3
DC0X-terästen fysikaaliset ominaisuudet vaihtelevat eri laatujen välillä hyvin vähän ja erot keskittyvätkin mekaanisiin ominaisuuksiin sekä muovattavuuteen. (SFS-EN 10130 2007, s.
18)
Taulukko 4. DC0X-teräksien mekaaniset ominaisuudet (SFS-EN 10130 2007, s. 18 )
Vaikka ruostumattomien terästen lujuus sekä korroosionkesto puoltaisivatkin niitä tähän käyttökohteeseen (Outokumpu 2013, s. 58-60), voidaan taulukoista 3 ja 4 huomata lämmön- johtavuuden olevan DC0X-teräksillä paljon ruostumattomia teräksiä korkeampi. Tämä puo- lestaan on palonsuojausrakenteita suunnitellessa kenties merkittävin yksittäinen arvo metal-
lilla, sillä, jos metalli ei voi johtaa/haihduttaa palosta syntynyttä lämpöä pois, sitoo se suu- remman osan lämpöenergiasta itseensä. Tämä taas johtaa nopeammin muodonmuutoksiin ja saattaa muodostua ongelmaksi uudelleensyttymisen kanssa. (Valtanen 2016, s. 195-196)
4.5.2 Korroosionkesto
Palonsuojarakenteella tulee olla erittäin hyvä korroosionkesto sen tullessa sijaitsemaan avoi- messa ulkoilmassa ympärivuotisesti. Koska DC0X-teräksillä ei luontaisesti ole kummoista- kaan suojaa korroosiota vastaan, päädyttiin suojaamaan pinnat kuumasinkitsemällä.
Kuumasinkityn rakenteen korroosionkesto tarkistettiin standardista EN-ISO 14713-1, joka käsittelee sinkittyjen rauta-teräsrakenteiden korroosionkestävyyttä (SFS-EN ISO 14713-1 2009, s. 14). Tätä varten tarkistettiin ympäristön korroosioluokka standardista SFS-EN ISO 9223. Palonsuojakasetin korroosiolaskuissa käytettäväksi ympäristöstä johtuvaksi syövyttä- vyysluokaksi valittiin C3, sen antaessa hyvän keskiarvon Suomen olosuhteisiin. C3-syövyt- tävyysluokassa vaihtelee korroosionopeus 0,7 – 2,0 µm/a kuten taulukosta 5 voi todeta. Tau- lukossa on myös kuvailtu kunkin syövyttävyysluokan ympäristöä. (SFS-EN ISO 9223 2012, s. 3-4).
Taulukko 5. Korroosiolaskuissa käytetyt korroosiokategoriat. (SFS-EN ISO 9223 2012, s.
4).
Alapiiteräksistä (Si ≤0.04 %) puhuttaessa tulee sinkittävän kerroksen paksuudeksi 70 – 90 µm (Suomen kuumasinkitsijät ry 2007, s. 2). Puhuttaessa 1 mm paksuisista teräksistä, on sinkkikerroksen paksuus kuitenkin huomattavasti alhaisempi ja vaihtelee 35 – 45 µm välillä (SFS-EN 10346 2015, s. 4) (SFS-EN ISO 14713-1 2009, s. 14). Jos korroosionopeus on 0,7 – 2 µm/a, niin silloin 40 µm paksuinen sinkkikerros kestäisi 20 – 57 vuotta kuten taulukosta 6 voidaan todeta.
Taulukko 6. Sinkkipinnoitettujen teräs- ja valurautarakenteiden kestoikä pinnoitustavan, kerrospaksuuden ja syövyttävyysluokan mukaan. (SFS-EN ISO 14713-1 2009, s. 14)
Kestävyysluokat (VL, L, M, H, VH) luokitellaan sinkittävän rakenteen kestoiän suhteen (SFS-EN ISO 14713-1 2009, s. 12):
a) Erittäin pieni (VL): 0…< 2 vuotta
b) Pieni (L): 2…< 5 vuotta
c) Keskimääräinen (M): 5…< 10 vuotta
d) Suuri (H): 10…< 20 vuotta
e) Erittäin suuri (VH): ≥ 20 vuotta
Korroosiolta suojautuminen ei koske ainoastaan kemiallista, ympäristötekijöistä johtuvaa korroosiota, vaan myös galvaanista korroosiota. Runkorakenteen sekä liukuturvaritilän ol- lessa sinkittyä rakenneterästä, olisivat ne reagoineet ruostumattomasta teräksestä valmiste- tun palonsuojakasetin kanssa, ja näin ollen vähentäneet merkittävästi rakenteen kestoikää.
(Teräsrakenneyhdistys 2015, s. 2-6)
Sinkin sulamislämpötilan ollen vain noin 419 ̊C on aivan mahdollista, että tulipalon aikana sinkkipinnoite ohenee merkittävästi tai jopa katoaa sinkin sulamisen seurauksena. Tämä ei tietenkään vaikuta palonsuojarakenteen paloa tukahduttaviin ominaisuuksiin, mutta sillä on epäsuotuinen vaikutus palonsuojarakenteen korroosionkestoon tulevaisuudessa. (RSC 2017)
4.6 Lujuuslaskenta
Rakenteiden lujuutta laskiessa otettiin huomioon omakuorman lisäksi hyöty- ja lumikuorma mutta myös räjähdyksestä aiheutuva äkillinen kuormitustapaus. Laskenta suoritettiin perin- teisiä kaavoja käyttäen sekä varmistettiin erinäisin laskentaohjelmin. Rakenteen stabiilius varmistettiin laskemalla runkorakenteen kestävyys taivutuksen sekä kiepahduksen suhteen.
Rungon laipalle laskettiin pistekuormitukselle myös kimmoinen sekä plastinen ratkaisu.
4.6.1 kuormat
Liekkiloukku-palonsuojakasetin ja sitä ympäröivän rakenteen lujuutta laskiessa otettiin huo- mioon rakenteista syntyvän omakuorman lisäksi hyöty- ja lumikuorma, sekä alapuolisessa säiliössä olevan öljyn äkillisestä syttymisestä syntyneen paineen aiheuttama kuorma. Liek- kiloukun rakenteesta johtuen suurin osa kuormituksesta normaalitapauksessa vaikuttaa juuri runkorakenteeseen. Muuttuva hyötykuorma vaikuttaa huoltotason lisäksi itse runkoraken- teeseen. Itse palonsuojakasettiin vaikuttaa oman painon lisäksi vain lumikuorma. Äkillisessä räjähdystapauksessa syntyvä paineaalto vaikuttaa palonsuojakasettiin, mutta myös rakenteen runkoon, palonsuojakasetin ollessa siinä kiinni.
Lujuuslaskennassa huomioon otetut kuormat on esitetty taulukossa 7. Palonsuojakasetille laskettiin suurin mahdollinen sen kestämä rasitus, joka myös kuvaa miten suuren räjähdyk- sen aiheuttaman paineaallon kasetti voi ottaa vastaan. Näin saatiin runkoa kokonaisuudes- saan kuormittavat voimat selvitettyä ja voitiin aloittaa rungon ja rungon tuennan mitoitus.
Taulukko 7. Palonsuojarakenteeseen vaikuttavat kuormat
Kuorman lähde Kuorma [N/m2] Pistekuorma [N] Kuorma [N/m]
Runko 102
Palonsuojakasetti (1 m2)
140
Liukuturvaritilä 265
Hyötykuorma 5000
Lumi 2750
Pistekuorma 1200
Paineennousu -340 (testistä)
Lujuuslaskennassa tulee ottaa myös huomioon teräsrakenteen alentunut lujuus tulipalossa.
Kohonnut lämpötila aiheuttaa muutoksia teräsrakenteen lujuuteen ja noin 600 ̊C asteessa ra- kenneteräksen lujuus on enää noin 30 % siitä lujuudesta, mitä rakenteella on 20 ̊C asteen lämpötilassa. (Teräsrakenneyhdistys 1978 s. 25)
Jotta kaasuseos voisi räjähtää palonsuojarakenteen alla, tulee sen olla koostumukseltaan op- timaalinen. Tällainen tilanne voi syntyä vain, jos palonsuojarakenteen alla on jo kaasuuntu- neita hiilivetyjä, ja hiilivetyjen määrää vähennetään samalla kun hapen määrää nostetaan tuuletuksen avulla. Käytännössä räjähdyskelpoinen seos voi tuulettamattomassa tilassa muo- dostua vain aukkojen välittömään läheisyyteen ja siten olla kooltaan niin pieni, ettei sillä ole merkitystä.
4.6.2 Runko
Tässä tutkimuksessa palonsuojarakenteen rungon rakenteena käytetään S355 IPE-120 – palkkia, sen ollessa dimensioiltaan sekä kuormituskyvyltään tarkoituksenmukainen. Rungon jännitystä sekä taipumaa laskettaessa otettiin huomioon omakuorman lisäksi kasetin, huol- totason sekä lumi- tai hyötykuorma, jolloin kokonaiskuormitus varmuuskertoimen (n=1.5) kanssa oli maksimissaan 8,17 kN/m. Oletuksena laskuissa oli, että ennen hyötykuorman li- säystä rakenteen päällä oleva lumikuorma on ensin poistettava, jolloin vain toinen kuormista on kerrallaan voimassa. Rungon jännityksiä sekä taipumia laskiessa käytettiin kuormitusta- pausta, jossa päistään tuetulla palkilla vaikuttaa tasainen voima. Rungon maksimijännitys saatiin kaavalla 1 (Valtanen 2016, s. 317):
𝜎𝑚𝑎𝑥 =𝑦𝐹8𝐼𝑒𝑞𝐿2 (1)
Rungon maksimitaipuma taas saatiin kaavalla 2 (Valtanen 2016, s. 317):
𝛿𝑚𝑎𝑥 =5𝐹384𝐸𝐼𝑒𝑞𝐿4 (2)
Kaavoissa 1 ja 2 E=210GPa, y=50 mm, Feq= 8,17 kN/m, L = 1600 – 3500 mm, I=3180000 mm4 ja varmuuskerroin n=1.5. Kaavoja 1 ja 2 käyttämällä saatiin taulukon 8 ja siitä johdetun kuvan 18 mukaiset arvot.
Taulukko 8. rungon jännityksen ja taipuman suhde jänneväliin 8.17 kN/m kuormituksella.
Jänneväli [mm] Jännitys [Mpa] Taipuma [mm]
1600 49,35849057 1,044624139 1700 55,72110849 1,331299632 1800 62,46933962 1,673285883 1900 69,60318396 2,077277564 2000 77,12264151 2,550351902 2100 85,02771226 3,099968676 2200 93,31839623 3,733970219 2300 101,9946934 4,460581416 2400 111,0566038 5,288409704 2500 120,5041274 6,226445073 2600 130,3372642 7,284060067 2700 140,5560142 8,471009781 2800 151,1603774 9,797431866 2900 162,1503538 11,27384652 3000 173,5259434 12,9111565 3100 185,2871462 14,72064712 3200 197,4339623 16,71398622 3300 209,9663915 18,90322424 3400 222,884434 21,30079412 3500 236,1880896 23,91951139
Kuva 18. Rungon jännityksen sekä taipuman suhde jänneväliin.
Runkorakenteen stabiiliutta taivutus- ja kiepahduskestävyyden mukaan laskettaessa sekä pa- lokuormituksen kestoa laskettaessa käytetään runkorakenteen tarkasteltavana jännevälinä
0 20 40 60 80 100 120
[%] / [mm]
Jänneväli [mm]
IPE 120 - palkin jännitys ja taipuma jännevälin suhteen
Jännityksen suhde myötölujuuteen [%] Taipuma [mm]
3000 mm, sen ollessa pilottikohteen suurin jänneväli sekä sillä pätee vielä ehto: taipuma <
l/200.
Runkorakenteen kuormituksen kestoa palotilanteessa tarkasteltavaksi on otettu tilanne, jol- loin rakenteella on suurin mitoitettu kuormitus ja tilanne, jolloin kuormitusta aiheuttaa vain omapaino. Näistä kuormituksista johtuvat jännitykset 3000 mm jännevälillä ovat 173 MPa ja 11 MPa, 49 % ja 3 % materiaalin myötörajasta. Kuvasta 19 voidaan havaita kuumavals- satun teräspalkin myötörajan laskevan 50 % alkuperäisestä vasta 470 ˚C asteessa. Jotta ma- teriaalin myötöraja laskisi 3 % alkuperäisestä, on materiaalin oltava jo lähes sulamispis- teessä.
Kuva 19. Alemman myötörajan fyk ja kimmomoduulin E riippuvuus lämpötilasta. (Teräsra- kenneyhdistys 1978 s. 25)
Näin ollen rakenteen kuormituksenkestoa palotilanteessa laskettaessa on olennaista, missä ajassa runkorakenteen lämpötila nousee 470 ˚C asteeseen. Tarkastelu tästä on esitetty palo- laskenta osiossa.
Runkorakenteen stabiilius varmistettiin laskemalla arvot taivutuskestävyyden sekä kiepah- duksen suhteen.
Taivutuskestävyyttä laskettaessa on tiedettävä kyseisen profiilin poikkileikkausluokka, jonka mukaan lasketaan mitoitusarvo taivutuskestävyydelle. Poikkileikkausluokka laskettiin taivutetun uuman sekä puristetun laipan mukaan. Molemmissa tarvittiin kaavalla 3 lasketta- vaa arvoa εl. (Teräsrakenneyhdistys 2010 s. 63)
𝜀𝑙 = √235𝑓
𝑦 (3)
Taivutetun uuman poikkileikkausluokan tarkastaminen aloitetaan laskemalla kaavan 4 mu- kainen hoikkuus. (Teräsrakenneyhdistys 2010 s. 49)
𝑐/𝑡 =ℎ𝑝−2(𝑡𝑡 𝑓+𝑟𝑝)
𝑤 (4)
Yhtälössä 4 𝑐/𝑡 on poikkileikkauksen hoikkuusluku, ℎ𝑝 on palkin poikkileikkauksen kor- keus [mm], 𝑡𝑓 laipan paksuus [mm], 𝑡𝑤 uuman paksuus [mm] ja 𝑟𝑝 viisteen säde [mm].
Puristetun laipan poikkileikkausluokan tarkastamiseen tarvitaan taas kaavan 5 mukaista yh- tälöä. (Teräsrakenneyhdistys 2010 s. 49)
𝑐/𝑡 =
𝑏𝑝
2−(𝑡𝑤2+𝑟𝑝)
𝑡𝑓 (5)
Kaavassa 5 𝑏𝑝 on laipan leveys [mm].
Tarkasteluun valitun IPE-120 –palkin poikkileikkauksen dimensiot ovat seuraavat: ℎ𝑝 = 120 mm, 𝑡𝑓 = 6,3 mm, 𝑡𝑤 = 4,4 mm, 𝑟𝑝 = 7 mm, 𝑏𝑝 = 64 mm ja 𝑊𝑝𝑙 = 607*103 mm3.
Vertaamalla kaavoja 3 ja 4 keskenään huomataan, että c/t < 72 𝜀𝑙 jolloin taivutetun uuman poikkileikkausluokka on 1. (Teräsrakenneyhdistys 2010 s. 63)
Vertaamalla kaavoja 3 ja 5 keskenään huomataan, että c/t < 9 𝜀𝑙 jolloin puristetun laipan poikkileikkausluokka on myöskin 1. (Teräsrakenneyhdistys 2010 s. 63)
Molempien poikkileikkausluokkien ollessa 1 voi riittävän kiertymiskyvyn omaava nivel syntyä eikä ole lommahdusvaaraa, jolloin voimasuureet voidaan laskea plastisuusteorian mukaan.
Palkin poikkileikkausluokan ollessa 1, voidaan taivutuskestävyyden mitoitusarvo laskea kaavalla 6. (Teräsrakenneyhdistys 2010 s. 49)
𝑀𝑐,𝑅𝑑 = 𝑊𝑝𝑙𝑓𝑦
𝛾𝑀0 (6)
Kaavassa 6 𝑀𝑐,𝑅𝑑 on taivutuskestävyyden mitoitusarvo [kNm], 𝑊𝑝𝑙 plastinen taivutusvastus [mm3] ja 𝛾𝑀0 osavarmuusluku 1,0. Kaavasta 6 saadaan taivutuskestävyyden mitoitusarvoksi 215,5 kNm.
Maksimimomentti 𝑀𝑚𝑎𝑥 kyseessä olevalle palkille voidaan laskea kaavalla 7. (Valtanen 2014, s. 317)
𝑀𝑚𝑎𝑥 =𝑞𝑙2
8 (7) Kaavassa 7 𝑞 on tasaisesti vaikuttava kuorma 8,18 kN/m ja l on palkin jänneväli 3 m. Näin ollen suurin momentti palkilla on 3 kNm. Näin ollen ei taivutus tule ongelmaksi rungon stabiliteettia tarkastellessa.
Runkorakenteen stabiliteetin varmistamiseksi tarkistettiin vielä palkin kiepahtamisen riski.
Palonsuojamoduulit kiinnitetään runkorakenteeseen siten, että tuentakohtien väliseksi etäi- syydeksi tulee suurimmillaan 900 mm. Koko palonsuojarakenteen (runko, palonsuojamo- duulit) ollen näin kiinni voidaan palonsuojamoduulin kiinnitysten katsoa toimivan rungolle sivusuunnassa tapahtuvia siirtymiä estävänä tukirakenteena. Jos todetaan puristuvan laipan sivuttaistukien olevan tarpeeksi tiheässä ei palkki kiepahda ja taivutuskestävyys on 𝑀𝑐,𝑅𝑑. Palkin kiepahdus on sivuttaistuilla estetty, jos tuentakohtien välit Lc ja siitä seuraava ekvi- valentin puristetun laipan hoikkuuden arvo λ̅𝑓 ovat kaavan 8 mukaiset. (Teräsrakenneyhdis- tys 2010 s. 57)
λ̅ =𝑓 𝑖𝑘𝑐𝐿𝑐
𝑓,𝑧λ𝑙≤ λ̅𝑐0𝑀𝑀𝑐,𝑟𝑑
𝑦,𝑒𝑑 (8) Kaavassa 8 𝑘𝑐 on momenttien jakautumisen mukainen korjauskerroin 1,0, 𝑖𝑓,𝑧 on ekviva- lentin puristetun laipan jäyhyyssäde ja lasketaan kaavalla 10, λ𝑙 kaavalla 9 laskettavissa oleva materiaalin mekaanisten arvojen mukainen hoikkuus, λ̅𝑐0 kaavalla 12 laskettavissa oleva ekvivalentin puristetun laipan hoikkuuden yläraja ja 𝑀𝑦,𝑒𝑑 on tukipisteiden välillä esiintyvä suurin momentin mitoitusarvo. (Teräsrakenneyhdistys 2010 s. 57)
λ𝑙 = 93,9√235𝑓
𝑦 (9)
Kaavasta 9 saadaan materiaalin mekaanisten arvojen mukaisen hoikkuuden arvoksi 76,4.
i𝑓,𝑧 = √𝐴 𝐼𝑓
𝑓+𝐴𝑤/3 (10)
Kaavassa 9 If on laipan jäyhyys [mm4] ja lasketaan kaavalla 11, Af on puristetun laipan pinta- ala 403 mm2 ja Aw on uuman pinta-ala 473 mm2.
I𝑓 = 𝑏𝑝12𝑡𝑓3 (11)
Kaavasta 11 saadaan If arvoksi 1333 mm4 ja sijoittamalla se kaavaan 9 saadaan ekvivalentin puristetun laipan jäyhyyssäteen if,z arvoksi 1,54 mm.
λ̅𝑐0= λ̅𝐿𝑇,0+ 0,1 (12)
Kaavassa 12 λ̅𝐿,0 arvo on valssatuissa kaksoissymmetrisissä I-profiileissa 0,4, jolloin λ̅𝑐0 arvoksi tulee 0,5.
Syöttämällä edellisistä kaavoista ja taulukoista saadut arvot kaavaan 8 saadaan varmistettua rakenteen tuentojen täyttävän ehdot palkin kiepahduksen estämiselle. Kaavan 8 ollen rat- kaistussa muodossa 7,65 ≤ 35,91 voidaan todeta, ettei nykyisillä tuennoilla ole riskiä runko- rakenteen palkkien kiepahdukselle.
Runkorakenteen laipalle laskettiin vielä kimmoinen sekä plastinen ratkaisu pistekuormitet- tavuudelle. Laskuissa käytettävät kaavat 13 ja 14 on johdettu liitteessä IX esitetyllä tavalla.
Kimmotilassa suurin laipan kestämä pistekuormitus Pk laskettiin kaavalla 13.
𝑃𝑘 =2.86𝛾𝑓𝑦𝑡𝑓2
𝑀0 (13)
Kaavassa 13 fy on materiaalin myötöraja 355 MPa, tf on laipan paksuus 6.3 mm ja 𝛾𝑀0 on varmuuskerroin 2.5
Plastinen ratkaisu suurimmalle laipan kestämälle pistekuormitukselle laskettiin kaavalla 14.
𝑃𝑘 = √2𝑓𝑦𝑡𝑓2[1 −𝜎𝑚2
𝑓𝑦2] 1
𝛾𝑀0 (14)
Kaavassa 14 𝜎𝑚 on puristuksesta johtuva jännitys 0 MPa.
4.6.3 Palonsuojakasetti
Palonsuojakasettiin ei kohdistu muita rasituksia kuin lumi-, ja nestekuorma lumikuorman ollen näistä kahdesta suurempi. Laskennassa oletettiin, ettei palonsuojakasettiin kohdistu kerrallaan kuin toinen näistä kuormista.
Lumikuormaa kasetille laskiessa noudatettiin standardin SFS-EN 1991:2002 1-2 mukaista laskentakaavaa, jolloin kuorma mitoitetaan kaavan 15 avulla.
𝐹𝑑 = 𝛾𝑓𝐹𝑟𝑒𝑝 (15)
Kaavassa 3 Fd on kuorman mitoitusarvo, 𝛾𝑓 on kuorman osavarmuusluku ja 𝐹𝑟𝑒𝑝 on kuorman edustava arvo, joka lasketaan kaavalla 16.
𝐹𝑟𝑒𝑝 = 𝛹𝐹𝑘 (16)
Kaavassa 16 𝛹 on kuorman pienennyskerroin ja 𝐹𝑘 on kuorman ominaisarvo (Teräsraken- neyhdistys 2010 s. 35).
Pienennyskertoimeksi valittiin käytettävän Ψ0:n arvoa 0.7 (Teräsrakenneyhdistys 2010 s.
35).
Tuloksia tarkastellessa tulee ottaa huomioon, että kasetin ja ritilän välisen tilan täytyttyä yhä suurempi osa kuormasta tulee jakautumaan ritilän päälle, joten todellinen jännitys tulee jää- mään laskennallisen jännityksen alapuolelle. Laskenta suoritettiin siten, että eri tuentakom- binaatioille laskettiin maksimaalinen kuormituksenkesto. Näin voitiin luoda ohjeet kiinni- tyksien määrän ja paikoituksen suhteen kulloisenkin lumikuorman mukaan. Suurimman sal- litun jännityksen määrättiin olevan metallin alin myötöraja jaettuna varmuuskertoimella
~1.5. DC04-teräksen tapauksessa tämä tarkoitti ~140 MPa maksimijännitystä. Jännityksen lisäksi laskettiin suurin siirtymä, joka sai olla ≤ L/200, eli ≤ 5 mm.
